超尺寸鋼筋微膨脹混凝土結(jié)構(gòu)無縫施工技術(shù)

張明征 萬立華 邵海濤 孫希紅 田延剛 唐田 劉繼芹

[摘要] 采用微膨脹混凝土澆筑超尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，取消伸縮縫、進行無縫施工通過理論計算是可行的；筆者通過大量工程實踐證明：此技術(shù)是提高超尺寸結(jié)構(gòu)整體性、抗震性，節(jié)省工期，大幅度降低工程造價等行之有效的好方法，施工簡便易行（沉降縫、抗震縫、溫度縫合并，不設(shè)縫或少設(shè)縫），具有顯著地社會經(jīng)濟效益。

[關(guān)鍵詞] 微膨脹混凝土；超尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；取消伸縮縫；無縫施工

[中圖分類號] TU755.9 [文獻標(biāo)志碼] A[文章編號] 2095-4085（2012）-06-0105-03

一、引言

超尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在具體施工過程中，按照規(guī)范要求一般采取設(shè)置后澆帶（結(jié)合伸縮縫位置）的方法，以消除因混凝土干縮和降溫冷縮而引起的裂縫。后澆帶的設(shè)置給現(xiàn)場施工帶來許多弊端：后澆帶處防水效果不好，容易滲漏、施工煩雜、工序多、周期長，造價相應(yīng)增加。公司技術(shù)人員與山東省建筑材料設(shè)計研究院新技術(shù)研究所專家通過全方位分析、研討與論證，結(jié)合過去施工應(yīng)用的成功經(jīng)驗，擬采取以下方案。

1、設(shè)計后澆帶部位改為膨脹加強帶，加強帶混凝土采用強度等級、抗?jié)B等級提高一級的微膨脹混凝土。加強帶寬度為2m，其兩側(cè)分別設(shè)V型的5mm方孔鋼絲網(wǎng)，防止混凝土流入加強帶內(nèi)，鋼絲網(wǎng)中間增加φ12立筋加固，也兼作鐵絲網(wǎng)支撐用。

2、厚大體積底板混凝土水化熱高，混凝土收縮大，易產(chǎn)生裂縫，結(jié)合建設(shè)工程的實際情況，宜采用高性能混凝土。建議采用I級粉煤灰、礦渣微粉或其混合物等量取代水泥，減少水泥用量，以降低混凝土的收縮。

3、采用超緩凝技術(shù)，使混凝土緩凝時間在12小時以上，延緩混凝土水化放熱的過程，降低水化熱熱峰值。

二、工藝原理

1、JEA低堿高效膨脹防水劑的抗裂防滲原理

JEA系列膨脹防水劑是由多種鹽類復(fù)合，經(jīng)物化改性而制成新型低堿復(fù)合外加劑。將其適量摻量入水泥、混凝土（包括砂漿、凈漿、下同）中，可與水泥水化物反應(yīng)生成大量膨脹性結(jié)晶水化物——鈣礬石3CaO、3CaSO4、32H2O）而使混凝土產(chǎn)生適度膨脹。在約束（如：基礎(chǔ)約束、鄰位約束、配筋等）條件下，其膨脹能將轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力即自應(yīng)力，此壓應(yīng)力可抵消混凝土干縮和冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而彌補了普通混凝土收縮開裂的缺陷。而后期形成的鈣礬石可填充、切斷混凝土中毛細孔、密實混凝土，從而提高混凝土的強度、抗?jié)B、抗凍等耐久性能，形成結(jié)構(gòu)自防水混凝土，達到永久防水之功效。在限制膨脹下導(dǎo)入的預(yù)壓應(yīng)力值為0.2～0.8MPa，這相當(dāng)于提高了混凝土的早期抗拉強度，同時，推遲了砼收縮的產(chǎn)生過程。當(dāng)混凝土開始收縮時，其抗拉力已增長到足以抵抗收縮應(yīng)力，從而防止和減少了收縮，使之不產(chǎn)生裂縫或?qū)⒘芽p控制在允許范圍之內(nèi)。

2、超尺寸結(jié)構(gòu)無縫施工的有關(guān)計算

根據(jù)有關(guān)理論，當(dāng)混凝土最終變形E=Eσ-EL-EW+Ee

混凝土的絕熱溫升為：Tmax=M×Qi/（p×c）

式中：M——水泥熟料用量

p——混凝土密度2300～2500kg/m3

c——比熱，一般為0.92～1.0×103J/（kg×℃）取0.93×103

Qi——水泥熟料水化熱（J/kg）

設(shè)：水泥熟料礦物組成為：C3S、50%；C2S、20%；C3A、7%；C4AF、13%，則：該水泥3天水化熱為：

Q3=240×50%+50×20%+880×7%+290×13%

=120+10+37.7+61.6=229.3×103（J/kg）

28天水化熱為：

Q28=377×50%+105×20%+1378×7%+494×13%

=370×103（J/kg）

例：濟南奧體中心地下工程底板長300m、寬100m，屬超尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其相關(guān)計算如下：

（1）、混凝土補償收縮計算

A、采用PS配制C35P12高性能防滲混凝土澆筑底板：PS水泥用量360kg/m3、粉煤灰用量100kg/m3、復(fù)合膨脹防水劑13.8kg/m3，有關(guān)計算如下：

底板絕熱溫升最高值：

Tmax=（360×30%×370×103）/（2400×0.96×103）=17.3℃

底板為上表面一維散熱，散熱系數(shù)取0.60，則混凝土內(nèi)部溫升為：

T1=0.60×17.3=10.4℃

環(huán)境氣溫10℃～15℃，取平均溫差：T2=（15-10）/2=2.5℃

故底板混凝土的最大冷縮值為：

EL=σ（T1+T2）=1.0×10-5×（10.4+2.5）=1.29×10-4

混凝土的干縮率地下洞室為（0.5～1.5）x10-4，取1.0×10-4，

則混凝土總收縮率為：1.29×10-4+1.0×10-4=2.29×10-4

配筋率取0.4%，微膨脹混凝土彈性伸長率為0.43Eσ，則地下室補償收縮混凝土的限制膨脹率為：

Eσ=1.29×10-4+1.0×10-4-0.43Eσ

即Eσ=（1.29×10-4+1.0×10-4）/1.43=1.6×10-4

若考慮混凝土的極限拉伸SK（1.5～2.0）×10-4），微膨脹混凝土最終變形：

E=1.6×10-4-2.29×10-4=-0.69×10-4

因0.69×10-4

B、若采用P0配制C35P12高性能混凝土澆筑底板： P0水泥用量260kg/m3、粉煤灰以100kg/m3、礦粉120kg/m3、復(fù)合膨脹防水劑15kg/m3，有關(guān)計算如下：

底板絕熱溫升高值：

Tmax=（260×85%×370×103）/（2400×0.96×103）=35.5℃

底板為上表面一維散熱，散熱系數(shù)取0.60，則混凝土內(nèi)部溫升為：

T1=0.60×35.5=21.3℃

環(huán)境氣溫10℃～15℃，取平均溫差：T2=（15-10）/2=2.5℃

故該類底板混凝土的最大冷縮值為：

EL=σ（T1+T2）=1.0×10-5×（21.3+2.5）=2.38×10-4

混凝土的干縮率地下洞室為（0.5～1.5）x10-4，取1.0×10-4，配筋率取0.4%，微膨脹混凝土彈性伸長率為0.43Eσ，則地下室混凝土的限制膨脹率為：

Eσ=2.38×10-4+1.0×10-4-0.43Eσ

即Eσ=（2.38×10-4+1.0×10-4）/1.43=2.36×10-4

考慮混凝土的極限拉伸SK（1.5～2.0）×10-4），微膨脹混凝土的最終變形：

E=2.36×10-4-3.38×10-4=-1.02×10-4

因：1.02×10-4

C、樓（層）板：采用P0配制C30P8高性能混凝土澆筑樓板，P0水泥用量240kg/m3、粉煤灰以80kg/m3、礦粉80kg/m3、復(fù)合膨脹防水劑12kg/m3，有關(guān)計算如下：

Tmax=（240×85%×370×103）/（2400×0.96×103）=32.8℃

每層樓板因多維散熱，混凝土散熱系數(shù)取0.3，則樓板混凝土溫升為：

T1=0.30×32.8=9.84℃

環(huán)境氣溫平均溫差仍取2.5℃，故該樓板的最大冷縮值為：

EL=α（T1+T2）=1.0×10-5×（9.84+2.5）=1.23×10-4

混凝土干縮率自然環(huán)境中（1.5～2.5）×10-4，取2.0×10-4

配筋率取0.15%時，微膨脹混凝土的彈性伸長率為0.25Eα，則該樓板補償收縮混凝土的限制膨脹率為：

Eσ=1.23×10-4+2.0×10-4-0.25Eσ

即：Eσ=（1.23×10-4+2.0×10-4）/1.25=2.58×10-4

同理：考慮混凝土的極限拉伸值，若微膨脹混凝土的最終變形：

Eα=2.58×10-4-3.23×10-4=-0.65×10-4

因0.65×10-4

D、若采用460kg/m3普通硅酸鹽水泥配制普通混凝土澆筑該底板，底板絕熱溫升最大值：Tmax=（460×85%×370×103）/（2400×0.96×103）=62.8℃

底板上表面為一維散熱，散熱系數(shù)取0.60，則混凝土內(nèi)部溫升為：

T1=0.60×62.8=37.7℃

環(huán)境氣溫10℃～15℃，取平均溫差：T2=（15-10）/2=2.5℃

故底板混凝土的最大冷縮值為：

EL=α（T1+T2）=1.0×10-5×（37.7+2.5）=4.02×10-4

混凝土的干縮率地下洞室為（0.5～1.5）×10-4，取1.0×10-4

則混凝土總收縮率為：4.02×10-4+1.0×10-4=5.02×10-4

混凝土的極限拉伸SK[（1.5～2.0）×10-4]，

E=（1.5～2.0）×10-4-5.02 ×10-4=-（3.52～3.02）×10-4

因3.02～3.52>SK（1.5～2.0×10-4），所以混凝土必然開裂。

（2）、伸縮縫間距的計算；仍以本工程為例計算如下：

A＼地下洞室干縮最大當(dāng)量溫差為T3=T/α=1.5×

10-4/1.0×10-5=15℃。

微膨脹混凝土最小補償當(dāng)量溫差：

T4=E/α=2.29×10-4/1.0×10-5=22.9℃；

底板微膨脹混凝土綜合溫差：

T=T1+T2+T3-T4=10.4+2.5+15-22.9=5℃

該工程地基為混合土，取水平阻力系數(shù)CX=0.8MPa/mm，微膨脹混凝土彈性模量（28天）取3.3×10-4MPa，混凝土平均伸縮縫間距按下式計算：

H·E |λT|

L1=1.5× ·arcosh

Cx|λT|- |SK|

2400×3.3×10-4 |1.0×10-5×5|

=1.5× ·arcosh

0.8|1.0×10-5×5|- |1.75×10-4|

因│5×10-5│-│1.75×10-4│<0，該式在數(shù)學(xué)上無解，而物理概念上意味著該伸縮縫盡可取消。

B、同理，每層樓板干縮的最大當(dāng)量溫差：T3=2.5×10-4/1.0×10-5=25（℃）。

微膨脹混凝土最小補償當(dāng)量溫差：T4=E/α=2.58×10-4/1.0×10-5=25.8（℃）

微膨脹混凝土綜合溫差：T=9.84+2.5+25-25.8=11.5℃

因樓板澆筑在梁柱上，取其水平阻力系數(shù)CX=1.25Mpa/mm，則該樓板平均伸縮縫間距為：

2400×3.3×104|1.0×10-5×11.5|

L=1.5× ·arcosh

1.25 1.0×10-5×11.5- |1.75×10-4|

同理，因│1.15×10-4│-│1.75×10-4│<0，該伸縮縫盡可取消。通過計算可以看出，采用微膨脹混凝土澆筑超尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，取消伸縮縫、進行無縫施工是完全可行的，這已被大量的工程實踐所證實。不設(shè)縫或少設(shè)縫（沉降縫、抗震縫、溫度縫合并）不僅簡化施工，提高超尺寸結(jié)構(gòu)的整體性、抗震性，而且節(jié)省工期，大幅度降低工程造價，社會經(jīng)濟效益顯著。